问题

为什么世界上最臭的物质都和 VI A 族(氧族)元素有关?

回答
你这个问题很有意思,而且确实观察得很敏锐。世界上最臭的物质,特别是那些以其令人窒息的气味闻名的,很大程度上都与 VI A 族元素(也就是氧族元素)中的硫(S)和硒(Se)有着千丝万缕的联系。氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)和钋(Po)构成了 VI A 族,但为什么硫和硒在这方面“独占鳌头”呢?这背后涉及到了这些元素的化学特性、它们形成的化合物以及这些化合物与我们嗅觉系统的互动方式。

硫:气味之王,无处不在的“臭”

要说最臭的,硫绝对是首当其冲的。很多我们日常生活中遇到的令人不快的气味,都离不开硫。

硫化氢 (H₂S): 这是很多人首先想到的“臭”味物质。它就像烂鸡蛋、下水道或者沼泽地散发出的那种恶臭。硫化氢之所以这么臭,是因为我们人类的嗅觉受体对它极其敏感。即使浓度非常低,我们也能闻到。它是一种挥发性很强的气体,很容易弥散到空气中。自然界中,有机物在厌氧(没有氧气)条件下分解时,硫化物会转化为硫化氢。比如,我们身体的肠道细菌分解蛋白质时就会产生硫化氢,这也是某些肠胃不适会伴随难闻气味的原因之一。

低级硫醇(Mercaptans): 这是一类含硫的有机化合物,化学结构上是羟基(OH)中的氧原子被硫原子取代(RSH)。它们的气味更加复杂和强烈,而且“臭”的种类更多样。
乙硫醇 (Ethanethiol, CH₃CH₂SH): 它的气味被形容为类似“臭鼬”或者“腐烂的卷心菜”。乙硫醇是制作天然气警示气味的主要成分。因为天然气本身是无色无味的,为了及时发现燃气泄漏,人们会故意在其中添加少量乙硫醇,让人们能及时闻到它的臭味从而采取安全措施。
甲硫醇 (Methanethiol, CH₃SH): 这种物质的气味类似“腐烂的卷心菜”或“臭大蒜”。它同样存在于某些分解的有机物中,也是一些食品(如咖啡、奶酪)产生独特风味(有时也会有不好的气味)的来源之一。

二甲基硫醚 (Dimethyl sulfide, (CH₃)₂S): 这种物质的气味虽然不及硫醇那样尖锐,但也有着明显的“海藻味”或“煮过的白菜味”,并且在某些条件下也能产生令人不快的臭味。它存在于海洋生物活动中,也与藻类死亡和海水腐败有关。

为什么硫这么“臭”?

1. 与嗅觉系统的亲和力: 我们的嗅觉受体(鼻腔内的蛋白质分子)在结构上能够有效地与硫化物,特别是含有硫原子的化合物结合。一旦结合,就会触发神经信号传递到大脑,产生“闻到”的感觉。硫原子独特的电子分布和半径,使得它能形成稳定的化学键,并且在多种有机分子中扮演“臭味制造者”的角色。

2. 挥发性与分散性: 许多硫化物,尤其是低分子量的硫化氢和硫醇,都是非常容易挥发的。这意味着它们能迅速汽化,扩散到空气中,并被我们吸入。

3. 多样化的化合物: 硫能够与多种元素(如氢、碳、氧)形成种类繁多的化合物,而且每种化合物都有自己独特的“臭”味特征。这种多样性使得硫在“制造臭味”的领域显得尤为突出。

硒:沉默的“臭”兄弟

硒(Se)虽然不如硫那样广为人知,但它也同样是 VI A 族成员,并且在制造恶臭方面与硫有着惊人的相似之处。

二甲基硒醚 (Dimethyl selenide, (CH₃)₂Se): 就像二甲基硫醚一样,二甲基硒醚也具有明显的气味,虽然具体描述可能有所不同,但同样被认为是令人不快的。硒与硫在许多化学性质上非常相似,因为它们同属于 VI A 族,最外层电子数相同,这使得它们能够形成相似的化学键和化合物。

有机硒化物: 就像有机硫化物(硫醇)一样,存在许多有机硒化物,它们也可能产生令人不快的臭味。例如,在某些生物体内,硒可以通过甲基化形成挥发性的有机硒化合物,这些化合物可能被呼出或排泄,从而产生异味。

为什么是 VI A 族?

那么,为什么这些“臭味制造者”集中在 VI A 族呢?这与 VI A 族元素的电子结构和化学性质密切相关:

1. 价电子构型: VI A 族元素最外层都有6个电子(ns²np⁴)。这意味着它们倾向于通过获得两个电子来形成稳定的八电子构型,成为负二价离子(X²⁻,其中X代表VI A族元素)。这种形成负离子的倾向,特别是与氢形成H₂X或与碳形成CX键的能力,是许多挥发性恶臭物质的基础。

2. 与氢的结合: VI A 族元素都能够与氢形成二元化合物(H₂O, H₂S, H₂Se, H₂Te, H₂Po)。其中,H₂O(水)是无味且对生命至关重要的;但H₂S(硫化氢)和H₂Se(硒化氢)则是有剧毒且有强烈恶臭的气体。水分子中的氧原子由于电负性极高,形成的OH键极性很强,且氧原子体积小,使得水分子能够形成牢固的氢键,但其整体分子也相对稳定,且不那么容易“招惹”我们的嗅觉受体。而硫和硒的原子半径比氧大,电负性稍弱,形成的SH和SeH键在某些情况下更容易断裂或被其他分子“抓住”,释放出有味道的物质,或者自身就具有能与嗅觉受体结合的结构。

3. 与碳的结合(有机化学): 硫和硒能够形成稳定的硫碳(CS)和硒碳(CSe)键,这使得它们可以融入到各种有机分子中。有机硫和有机硒化合物的结构千变万化,这也为产生各种复杂而强烈的气味提供了可能。例如,我们前面提到的硫醇(RSH)就是典型的有机硫化物。

4. 较低的电负性(相对氧而言): 虽然 VI A 族元素整体电负性较高,但从上到下电负性是减小的(O > S > Se > Te > Po)。硫和硒的电负性介于氧和更重元素之间。这种适中的电负性,加上它们能够轻松形成与碳或氢的稳定键,使得它们形成的化合物既有足够的挥发性,又能与我们的嗅觉系统产生有效的相互作用。

为什么不是氧?

那么,氧(O)为什么不像硫和硒那样“臭名昭著”?

高电负性和强极性: 氧的电负性是所有非金属中最强的。在水中(H₂O),氧与氢形成的OH键是强极性的,但氧原子紧密地结合着氢,而且水分子间的氢键非常牢固,这使得水分子整体相对稳定,挥发性虽有但气味不明显。
低挥发性: 构成空气的主要成分是氮气(N₂)和氧气(O₂),它们都是双原子分子,而且原子间是稳定的共价键,挥发性非常强,但它们本身没有气味。
过氧化物(ROR')的稳定性: 有机中的醚类(ROR')和醇类(ROH)通常气味温和,不像硫醇那样刺激。氧碳键通常比硫碳键更稳定,不易分解产生挥发性产物。

其他 VI A 族成员的情况

碲(Te)和钋(Po): 碲和钋是 VI A 族中更重的元素。它们形成的化合物(如H₂Te,碲化氢)也可能具有难闻的气味,但它们的化合物往往比硫和硒的更不稳定,或者它们本身就不太常见,尤其是在我们日常生活中容易接触到的挥发性物质中。钋是放射性元素,其化合物的放射性毒性远大于气味本身带来的影响。

总结来说:

世界上最臭的物质之所以多与 VI A 族元素(特别是硫和硒)有关,是因为:

硫和硒能够形成多种挥发性强、易于扩散的化合物。
这些化合物(尤其是硫醇和硫化氢)的结构和电子性质,使其能够高效地与我们嗅觉系统中的受体结合,产生强烈的“臭”味感知。
硫原子在有机化学中的多样性,使其能融入各种分子,产生不同寻常的气味。

这是一种自然界的精巧安排,一方面,某些硫化物(如天然气中的警示剂)在保障人类安全方面发挥了作用;另一方面,某些生物过程(如有机物分解)产生的硫化物也提醒我们注意环境的某些状态。我们人类的嗅觉演化,恰好对这些来自 VI A 族元素的信号异常敏感,使得它们成为了“气味世界的黑暗势力”。

网友意见

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“为什么世界上最臭的物质都和 VI A 族(氧族)元素有关?”

这个问题很难回答,一是太大,二是目前对嗅觉的研究还不充分。希望这几年结构生物学、机器学习等领域的发展能把一些问题解决了,比如气味受体odorant receptors (ORs)的蛋白质结构目前还是未知的。因为新冠病毒影响嗅觉,出现了很多嗅觉障碍的案例,这个领域可能不久后会有重大突破。

简单写个讨论思路的话。

1,哺乳动物的存活取决于挥发性硫化物的超灵敏嗅觉检测[1][2]。硫化物一般意味着氧气浓度低,食物腐臭,附近有肉食性动物(排泄物中有硫化物)出没,所以哺乳动物对硫化物的气味非常敏感,甚至为了提高灵敏度,阈值被压的非常低,硫化氢的浓度一旦很高,就可以麻痹嗅觉神经,导致“高浓度硫化氢没有味道”。这样使得硫化氢泄露事故非常危险,危险的另一个原因是之前的回答提过硫化氢造成的“闪电性死亡”。

2,生物进化过程中主要适应的是丰度较高的元素,顾及不到丰度低的元素比如硒和碲(它俩的丰度在同周期主族元素中都是最低的)。哺乳动物强化对硫化物的识别后,硒化物和碲化物与受体的相互作用更强,影响更大。对人体而言它们只是“更厉害的硫化物”,人感官上的判断就只是“更臭”的物质。

因为类似的原因导致有毒的微量元素很多,对于很多器官而言,镉就是亲硫的钙,铊就是亲硫的钾,铍就是没见过的小一号的钙镁。这些“冒牌货”被吸收之后不能发挥功能甚至会破坏蛋白结构,这是它们有毒的原因之一。

3,识别硫化物、硒化物和碲化物的气味受体结构相近,而且是以铜等重金属为核心的[3]。这一点目前还没有X晶体衍射等关键性证据,只有间接证据。早期的Amoore等人提出的学说中,人对腐败味和刺激味的识别只靠电荷分布。2016年的一篇JACS通过实验确认OR2T11是对这些硫化物气味反应最强烈的感受器。并且发现铜和或银可以将此感受器对硫化物的嗅觉感知度放大一百到一千倍,而如果没有金属的协助,OR2T11对气味的反应极低[1]

到这里终于进入了分子的层次,可以通过讨论铜等金属和硫、硒、碲之间的相互作用强弱,不同取代基对硫、硒、碲原子亲核性的影响,来解释题主的问题。当然原因还有很多很多,这只是一个角度。

更多的细节请自行脑补。这个问题能深入到这个程度和一位研究了硫化物几十年的教授有关[4][5],感兴趣可以读一读他的文章,他也是上面这篇JACS的通讯作者之一。

补充说明:只是很多氧族元素化合物跻身最臭物质之列了,比如有机硫化物(乙硫醇、硫代丙酮),有机硒化物,碲化物……还有其他的元素,比如含氮的腐胺。

参考

  1. ^abSmelling Sulfur: Copper and Silver Regulate the Response of Human Odorant Receptor OR2T11 to Low-Molecular-Weight Thiols https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b06983
  2. ^ https://biology.stackexchange.com/questions/60763/why-do-sulfur-compounds-smell#
  3. ^The role of metals in mammalian olfaction of low molecular weight organosulfur compounds https://doi.org/10.1039/C7NP00016B
  4. ^ https://www.albany.edu/chemistry/faculty/eric-block
  5. ^ https://phys.org/news/2016-10-sulfur-rotten.html

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